Mylène Nadeau2007

Version révisé par Renée Rioux-Marquis août 2008

Résultats d’apprentissage généraux Résultats d’apprentissages transdisciplinaires :

L’élève doit pouvoir Sciences

Connaître les principales structures de l’univers non vivant ;

Comprendre les principes qui gouvernent

La communication Utiliser les TIC Pensée critique Méthode de travail

les principales structures de l’univers non vivant ;

Expliquer les mécanismes par lesquels s’effectuent les changements de l’univers non vivant dans le temps ;

Technologie comprendre la nature et l’évolution de

la technologie ; résoudre des problèmes faisant appel à

la conception de solutions technologiques appropriées ;

démontrer un esprit critique et un sens des responsabilités face aux effets et aux répercussions des technologies sur la société et l’environnement ;

connaître des carrières liées aux technologies et comprendre l’influence de la technologie sur les carrières.

Résultats d’apprentissage spécifiques - L’élève doit pouvoir...

Technologie : 1. Découvrir l’évolution (origine, historique) de différentes technologies;2. Décrire différentes contributions de la technologie dans différents secteurs d’activité

humaine.3. Communiquer en utilisant le vocabulaire technologique en français approprié;4. Démontrer que la technologie est le résultat de l’activité humaine afin de répondre à un

besoin;5. Reconnaître l’étroite relation entre la science et la technologie;6. Expliquer comment des connaissances de différentes disciplines influencent les

innovations technologiques7. Identifier un problème;8. Analyser et définir les caractéristiques d’un problème et son contexte. (raison, causes,

conséquences, besoins, désirs, buts, objectifs…) ;9. Identifier les contraintes (ressources…) et les exigences de solutions technologique;10. Définir, selon les contraintes et les exigences, les paramètres de conception de solutions

technologiques;11. rechercher et suggérer différentes idées et solutions technologiques appropriées;12. Intégrer différentes TIC appropriées afin de concevoir et de communiquer des solutions

technologiques;13. Coopérer et collaborer avec différentes personnes afin de résoudre des problèmes;14. Planifier la création et faire le design de solutions technologiques;15. Expérimenter et évaluer ses solutions technologiques et le processus utilisé;16. Suggérer des moyens de réduire, de réutiliser et de recycler les différentes ressources

liées aux solutions technologiques et à l’utilisation de la technologie;

17. Comparer les avantages et les désavantages de différents produits et solutions technologiques sur le plan personnel, social et environnemental afin de faire des choix éclairés;

18. Faire preuve de responsabilité et d’habitudes de travail sécuritaire en respectant les normes (consignes, directives, règlements…) de santé et de sécurité liées à l’utilisation de la technologie;

19. Chercher et communiquer différentes possibilités de carrières liées aux technologies.

Sciences : Univers non vivantLa matière et l’énergie (la masse volumique)4.3 Expérimenter avec des objets afin de découvrir leurs propriétés (masse, volume, masse volumique, solubilité, malléabilité, dureté, etc..) ;5.1 Faire le lien entre des volumes égaux de différentes substances et leurs masses (masse volumique) ;La matière et l’énergie (les forces)4.17 Reconnaître qu’une force est caractérisée entre autres par sa direction et son intensité ;5.27 Nommer des situations de la vie quotidienne où sont exercées des forces en équilibre et des forces en déséquilibre ;5.28 Noter l’action des forces agissant sur un objet au repos et sur un objet à vitesse constante (lois de Newton) ;5.29 Reconnaître les effets des forces agissant sur différents objets (principes de Pascal, d’Archimède, de Bernoulli) ;5.30 Faire le lien entre la masse d’un objet et son poids ;5.31 Identifier les effets des forces en équilibre et des forces en déséquilibre sur la forme, le mouvement et la vitesse des objets ;5.33 Établir la relation entre force et pression ;5.32 Déterminer des façons de réduire la friction (forces entre objets) ;4.19 Reconnaître que la friction est une force utile dans de nombreuses circonstances.

Mathématiques : Les formes et espacesFE3 Les transformationsb) Reproduire une figure à l’échelle.

A – Contexte technologique

Solution problématiqueUne ville côtière du Nouveau-Brunswick aimerait installer des

éoliennes dans la région afin de satisfaire à l’augmentation de la demande en électricité causée par l’arrivée de nouveaux habitants et de nouvelles industries au cours des dernières années. La ville fait appel à la compagnie Éner-Vent qui fait l’installation d’éoliennes. La compagnie remarque que la région a de forts vents constants mais il n’y a pas assez de terrain libre

pour installer suffisamment d’éoliennes. L’entreprise suggère alors de placer les éoliennes en mer où le vent est encore plus fort et donc les éoliennes seront encore plus profitables. L’entreprise n’a jamais placé d’éoliennes en mer. Elle doit trouver une façon de manipuler les énormes composantes des éoliennes afin d’en faire l’installation.

ProblèmeTu es embauché(e) à titre de consultant(e) par l’entreprise Éner-vent

pour trouver un moyen efficace et sécuritaire de manipuler les composantes d’une éolienne dans le but d’en faire l’installation en mer. Comment vas-tu procéder? Avec quel équipement? Que suggères-tu à l’entreprise?

Travail #1

1. Effectue une recherche d’information afin de déterminer différentes alternatives qui permettent de manipuler des gros objets en mer.

Moyens de manipulation

Explications

1.

2.

3.

4.

5.

2. Selon toi, parmi les différentes solutions que tu viens d’énumérées, laquelle respecterait le mieux les contraintes et exigences associées au contexte ainsi qu’au problème? Explique pourquoi?

3. Présente aux élèves de ta classe, la solution que tu suggères à l’entreprise et explique ton choix.

B – Solution technologique

Système technologique proposéParmi les différentes options de système technologique qui

pourraient répondre aux besoins de l'entreprise, ce module te propose de concevoir et de construire une grue flottante pouvant manipuler les énormes composantes d’une éolienne afin d’en faire l’installation. En t’inspirant des différents types de grue flottante existante, tu devras concevoir et construire une grue en fonction des besoins de la tâche à accomplir. Par la suite, tu devras présenter ta grue, format réduit, à l’entreprise et lui démontrer que ta solution technologique est la meilleure.

C – Amorce de la solution

Dans ce module, tu vas découvrir différentes technologies associées aux grues flottantes. Le but du module sera de soulever les différentes composantes des éoliennes pour pouvoir en faire l’installation efficace et sécuritaire. Tu auras le défi de concevoir et construire une grue flottante qui devra rester stable en manipulant différents objets. Grâce à ce projet, tu pourras développer tes connaissances et tes habiletés associées aux grues et aux aspects reliés à la flottaison. De plus, tout au long de ton processus de conception, tu pourras apporter des modifications à ta grue afin d’optimiser son rendement.

4. Réponds aux questions 4 à 5 de la Fiche 1.

D- IntroductionE-Connaissances technologiques et scientifiques

Activité 1 : La poussée d’Archimède, principes de Pascal et de Bernoulli

Faire l’activité sur ces trois principes. Poussée d’Archimède dans Brain Pop.

Activité 2 : Les lois de Newton Voir dans Brain pop Isaac Newton, Activités sur les lois de Newton (1ère à la 3e loi)

Activité 3 : Masse volumique : Faire activités 7 à 14 du carnet scientifique module 2 sciences 8e année. (Ce sont les activités à partir de l’activité 4 dans ce document ici.)

Lire p. 130 sur la masse volumique et la flottabilité

Activité 4 : La masse volumique et la théorie particulaire (Pour répondre à certaines questions, voir p. 132 à 136)

Préparation : Préparer des petits contenants avec couvercles remplis d’eau et d’autres contenants vides, c’est-à-dire qu’ils sont pleins de particules de gaz, et des balances.-Donner un contenant de chaque sorte à tous les élèves ou en dyade.-Faire découvrir la théorie particulaire aux élèves en leur posant des questions concernant leurs connaissances antérieures sur les trois états de la matière. Leur demander s’ils en connaissent d’autres : Il en existe cinq (solide-liquide-gaz-plasma et Bose-Einstein), voir à l’adresse suivante pour des explications supplémentaires : http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tat_de_la_mati%C3%A8re Poser la question suivante : 1)-Quels sont les deux termes que l’on voit dans la masse volumique? Et d’après toi, que signifient-ils?2)-Quelle est la formule pour calculer la masse volumique? Pense aussi qu’en mathématiques tu as déjà travaillé sur cette formule.

Réalisation : Les élèves sont en dyade. - Ils devront répondre aux questions suivantes qui leur feront connaître

en premier ce que c’est la masse volumique et en deuxième temps, la masse volumique des solides, liquides et des gaz.

Pour les mettre en déséquilibre, je leur pose la question suivante : 3)Quel rapport y a-t-il entre la masse volumique d’une matière et l’état de cette matière? Imagine-toi en train de remplir un petit contenant d’eau et un autre de vapeur d’eau. Explique la différence entre l’eau liquide et la vapeur d’eau. 4)-Qu’arrive-t-il à la taille des particules?5)-Explique selon la théorie particulaire, ce qui arrive à ces deux matières.

6)-En utilisant le matériel qui t’est donné, fait une conclusion avec ce que tu connais ou réussi à comprendre sur la masse volumique. 7)-Fais une conclusion aussi sur la masse volumique de la vapeur d’eau et celle de l’eau liquide.

Intégration : De retour en classe, les élèves ont partagé leurs découvertes afin de faire un retour sur leurs connaissances antérieures ainsi que pour partager leurs nouvelles connaissances. De plus, ils devront calculer des masses volumiques de certaines substances.

Ou faire cette activité suivante : Voir la présentation de l’enseignante sur la masse volumique, voir sur le cybercarnet de Mme Renée Rioux-Marquis dans l’article sur les transports. Ensuite les élèves doivent prendre la présentation Powerpoint pour l’élève et remplir les énoncés manquants. Ceci vient rejoindre ce qu’est la masse volumique.

Activité 5 : Faire des calculs de masses volumiques 

Faire la fiche FR-5-5 et 5-6.Activité 6 : Déterminer la masse volumique d’une substance : expérience, lire p. 137 avant de faire l’expérience.

*Pour ce rapport de laboratoire, suis ce qui est décrit sur la feuille à cet effet. 50 points iront pour le rapport, 10 points pour la propreté et 10 points pour la participation.

Activité 7 : Les changements d’état

Omnisciences 8e p. 115;

Faire le dessin avec les changements d’états avec les différents noms des changements d’état avec la définition de chacun.

Activité 8 : L’effet de la température sur la masse volumique

1)Dessine des particules afin de représenter les trois états de la matière.

Solide Liquide Gaz

2)Revoir les cinq énoncés de la théorie particulaire :

3)Explique, à l’aide de la théorie particulaire, ce qui se passe lorsqu’on chauffe les particules d’une substance.

4)Expérience sur les effets du changement de température sur la masse volumique d’une substance en effectuant l’expérience présentée à l’annexe 19.

Répondre aux questions suivantes après l’expérience (Discussion en groupe)

a)Qu’est-il arrivé à la masse du ballon?

b)Qu’est-il arrivé au volume du ballon quand nous l’avons chauffé? Comment le savez-vous?

c)Pourquoi le volume a-t-il augmenté?

d)Quel est l’effet d’une augmentation de volume sur la masse volumique si la masse ne change pas?

e)Comment le ballon peut-il monter si nous n’avons pas réduit sa masse? Comment peut-il redescendre si nous n’avons pas augmenter sa masse?

f)Quel lien pouvez-vous établir entre la masse volumique et la flottabilité?

5)Maintenant, que peut-on dire de l’énergie des particules lorsque la température est augmentée?

6)Que peut-on dire de l’énergie des particules au niveau d’un solide, liquide et gaz?

7)Lors d’un réchauffement, les particules s’éloignent. Donc, il y a de particules dans un espace donné. La masse donc la masse volumique .

8)Lors d’un refroidissement, les particules se rapprochent. Il y a de particules dans un espace donnée. La masse donc la masse volumique .

Activité 9 : Expérience : Effet de la masse volumique sur la flottabilité

-Démonstration de l’enseignante avec l’annexe 20 et les élèves doivent utiliser l’annexe 21 pour amasser l’information de la démonstration.

Activité 10 : La pression : petite expérience

Matériel : assiette en polystyrène, punaise, gomme à effacer, une règle et le bout d’un stylo

1)Tâche : Perce des trous dans l’assiette à l’aide des outils qui vous sont donnés.

Questions :

a)Quel outil vous a le plus facilité la tâche?

b)Quelle caractéristique le distingue des autres?

c)Parle de la pression exercée par les différents matériaux utilisés pour percer les trous dans l’assiette.

2)Exécuter une expérience par rapport à la surface d’un objet et de la pression exercée par cet objet sur un fluide;

-Matériel : trois morceaux de papier d’aluminium de grandeur identique (15 cm X 15 cm), beaucoup de pièce de 1 cent.

-Tâche : Chaque morceau servira à la fabrication d’un différent bateau;

Vous ne pouvez pas utiliser d’autre matériel pour fabriquer les bateaux;

Vous devez varier la surface des bateaux en pliant ou en coupant le papier.

a)Nomme les variables indépendantes, dépendantes et contrôlées.

b)La pression est le rapport entre et .

c)Pour une force constante, plus la surface de contact est petite, plus la pression est .

d)Plus la surface de contact est grande, plus la force est distribué et plus la pression est .

e)Nomme deux applications qui sont utilisés pour une surface de contact grande, ex. : La largeur des raquettes permet aux marcheur de répartir son poids et de réduire la pression exercée en un point. Cela l’empêche de s’enfoncer dans la neige.

Activité 11 : Flottabilité, force antigravitationnelle et masse volumique

*Tu peux répondre aux questions soit en répondant par des phrases complètes ou par des réseaux conceptuels.

1. Quel est le lien entre la flottabilité, la force antigravitationnelle et la poussée? Voir p. 144

2. Pourquoi les fluides peuvent-ils supporter certains objets? Revois l’expérience de la p. 145 pour y répondre.

3. Comment les personnes peuvent-elles se promener dans les airs et sur l’eau si la masse volumique de leur corps est supérieure à la masse volumique de ces deux substances? Comment font-elles pour ne pas retomber ou couler? La masse volumique est-elle le seul facteur qui explique que les fluides supportent certaines substances?

*Regarde p. 146, fig. 5.12A et 5.12B et maintenant explique pourquoi la plateforme de forage Hibernia, dans les provinces maritime, peut flotter même si elle pèse 14 000 t?

4. Pourquoi le gilet de sauvetage diminue la masse volumique moyenne de la personne qui le porte?

5. Quel est le lien entre la vessie natatoire d’un poisson, un sous-marin et les avantages de la masse volumique moyenne?

Activité 12 : La friction : activité 7 avec la présentation PowerPoint sur la friction.

Activité 13 : Comment faire une grue flottante :

Voir cartable de technologie sur les transports. Le projet final.

5. Réponds aux questions de la Fiche 2.

*Présente les résultats à ton enseignant(e) lorsque tu auras répondu aux questions.

F – Planification de la solution technologique

Contraintes et exigencesL’éolienne comprend deux composantes majeures, la tour et la

nacelle. Les composantes seront sur une barque près du site de construction. La grue soulèvera les composantes de la barque pour ensuite les placer à leur position finale. Donc, la grue devra pouvoir soulever deux pièces de différentes formes.

Pour résoudre ce problème, tu devras concevoir une grue flottante qui restera relativement stable en soulevant le plus grand poids possible. Le dessus de la plate-forme doit rester au-dessus de l’eau. La plate forme de ta grue doit avoir une dimension maximum de 30 cm par 40 cm et la structure de la grue doit avoir une hauteur totale minimum de 25 cm. La masse doit être soulevée au-dessus de l’eau à l’extérieur de la plate-forme.

Ressources matérielles permises 100 bâtonnets à café 2.5 m ficelle 1 petit pistolet à colle

8 bouteilles en plastique 8 cannettes en aluminium 4 bâtonnets de colle transparente colle à bois bac d’eau 1 rouleau de «duct tape» poids 1 couteau utilité sable

Il est permis de couper et/ou de modifier ces matériaux de construction. Il n’est pas nécessaire d’utiliser tous les matériaux.

5. Réponds aux questions 1 à 3 de la Fiche 1.

Remue-méningesUn remue-méninges (« brainstorming ») est un recueil d’idées de

chacun des membres d’un groupe. Ces idées ont pour objectif de répondre à un besoin précis. Ces idées peuvent être présentées sous différentes formes tels des croquis et des organigrammes. Un remue-méninges se fait normalement en groupe et il est important que tous les membres du groupe contribuent aux idées. Ceci se fait en proposant une nouvelle idée, une amélioration ou une modification de l’idée existante. C’est aussi une bonne pratique de noter toutes les idées proposées avant de commencer à éliminer celles qui sont moins intéressantes ou moins pertinentes.

Dans le cas d’une grue flottante, la plate-forme flottante et la rigidité de la structure de la grue sont des facteurs à considérer pour maximiser la stabilité et la capacité de charge de la grue flottante. En plus, il faut considérer l’utilisation efficace de tout le matériel disponible pour assurer que la construction soit suffisamment rigide et légère. Cette étape comprend aussi un raffinement des idées jugées les meilleures.

Choix des idées et prises de décisionParmi toutes les idées recueillies, on procède à une évaluation selon

la pondération de chacune. On essaye d’éliminer les idées les moins avantageuses jusqu’à ce qu’il n’en reste que quelques-unes offrant le meilleur potentiel à la solution du problème. Cet exercice va permettre de faire le choix du meilleur type de grue flottante à construire. Une fois que l’activité de remue-méninges ne semble plus générer d’idées, c’est terminé. Il est important d’évaluer les avantages et désavantages de chaque idée. On procède par après à un raffinement des idées jugées les meilleures. On élimine ainsi les idées non réalisables.

4. En équipe, remplis la fiche 3 – Remue-méninges (voir les annexes).

G- Construction de la solution technologique

Conception et plan de constructionÀ partir de l’idée choisie, on procède à un plan de construction

(conception) de la grue flottante. Ce plan doit respecter les contraintes et les exigences imposées au projet. En plus, il doit inclure la conception de la grue flottante ainsi que les étapes à suivre pour la construction du projet, depuis le début jusqu’à la fin. Par exemple, la première étape pourrait voir à la construction de la plate-forme flottante et se terminer par l’assemblage final de toutes les pièces.

1ère étape : En utilisant la Fiche 4, développe un croquis de ta grue flottante. Les

dessins techniques et les détails sont donc tous inscrits sur les feuilles de dessins (fiche 4). Ces dessins techniques pourraient comprendre la conception principale, différentes sections de la grue flottante mieux détaillées ainsi que les directives de construction et d’assemblage.

2e étape : En utilisant la Fiche 5, Fais un dessin à l’échelle de ta grue flottante.

L’utilisation d’une échelle sur un dessin permet de produire des dessins techniques d’objets qui sont plus grands que dans la réalité. Ainsi la notation « Échelle : 1 : 4 » indique que le dessin est produit quatre (4) fois plus petit que l’objet réel qu’il représente. Donc, chaque unité mesurée directement sur le dessin représente quatre (4) unités réelles.* Présente et explique tes dessins à l’enseignant(e) et fait valider ton plan lorsque tu l’auras fait.Construction

On procède à l’exécution du plan de construction. Il pourrait y avoir des changements au plan si pour une raison quelconque une étape de construction était impossible à faire. Il faut à ce moment-là apporter les corrections au plan de construction et justifier les raisons de ces modifications.Évaluation et modification

Tout au long du processus de construction d’une solution technologique, il est important de s’arrêter afin d’évaluer le travail (processus) et le résultat (solution ou produit). Il est important d’évaluer son travail et son résultat en fonction des objectifs du problème, des contraintes et des exigences de la solution ainsi que selon le plan de conception.

5. En équipe, remplis la fiche 6 – Auto-évaluation qui est en annexe.

H- Évaluation de la solution technologique

Résultat – Évaluation par les pairsUne fois la construction de la grue flottante terminée, il faut analyser

la qualité de la construction de la solution technologique. 6. Utilise la fiche 7 afin d’évaluer les prototypes de tes collègues de

classes.* Remettez la fiche à votre enseignant(e) lorsque vous l’aurez remplie.L’enseignant(e) va vous évaluer avec la Fiche 8.

Analyse et communicationUne fois le projet terminé, il est important de bien analyser les

résultats et de communiquer les succès et les nouveaux défis afin de faire avancer la technologie. Il est également important d’évaluer ce que tu as appris et de définir les nouveaux apprentissages que tu aimerais faire.

7. Est-ce que ta grue flottante fonctionne correctement?

8. Quelles difficultés avez-vous rencontrées?

9. Quels changements aimeriez-vous faire sur votre grue flottante? Explique pourquoi.

I- Intégration des apprentissages

Enrichissement

Afin d’enrichir tes connaissances au niveau des grues flottantes, nous te suggérons le problème optionnel d’enrichissement suivant. Il pourrait te permettre d’approfondir ton expertise au niveau de la technologie des grues flottantes. Il contient de nouvelles contraintes et exigences de conception.

Lors du placement des éoliennes, on s’aperçoit qu’il y a un bateau au fond de la mer. Afin de pouvoir placer les éoliennes, il faudrait déplacer ce bateau. On vous demande de trouver une solution qui peut répondre à ce nouveau besoin.

10. Est-ce que ta grue flottante pourrait également répondre à ce besoin?

11. Quelles sont les considérations particulières à apporter lors de la planification et de la construction de ta grue flottante?

12. Quelles modifications devrais-tu apporter à ta grue flottante?

13. Quels matériaux supplémentaires devraient être utilisés?

H - Glossaire

Couple de force : Composé de deux forces de même grandeur mais de sens opposé qui crée une rotation de l’objet auquel il est appliqué.

Densité: Pour les liquides et les solides, c’est le rapport de la masse volumique d’une substance avec celle de l’eau. Pour les gaz, c’est calculé en rapport avec la masse volumique de l’air.

Force : Une action mécanique capable de créer une accélération sur un objet, ce qui crée un changement de vitesse ou une déformation de cet objet.

Ligne de flottaison : Une ligne qui sépare la partie immergée et la partie émergée d’un navire.

Masse volumique : Le rapport entre la masse et le volume qui est caractéristique d’une substance à un pression et une température donnée. La masse volumique de l’eau est approximativement 1000 kg/m3 à température de la pièce et à pression atmosphérique.

Moment : La capacité d’une force à mettre un objet en rotation. Exprimé en Newton-mètre (N*m).

Newton (N) : Unité de mesure d’une force. 1 N équivaut à la force nécessaire pour donner une accélération de 1 m/s2 à un objet de 1kg.

Pascal (Pa) : Unité de mesure de la pression. 1 Pa équivaut à la pression exercée par une force de 1 N sur une surface de 1m2.

Perturbation : Une force extérieure qui tente de créer un déséquilibre.

Poids : Une force exercée sur un objet qui est dirigé vers le centre de la Terre. Il est obtenu en multipliant la masse de l’objet par l’accélération gravitationnelle (sur la terre = 9,81 m/s).

Pression : Le quotient d’une force sur l’aire de la surface sur laquelle la force s’applique.

I - Bibliographie

Fluid Mechanics, Frank M. White, McGraw Hill ,2003

J - Sites Internet

1) http://phys.free.fr/archi.htm

2) http://www.e-scio.net/mecaflu/index.php3

3) http://fr.wikipedia.org/wiki/Pouss%C3%A9e_d%27Archim%C3%A8de

4) http://www.ns.ec.gc.ca/whale2/gallery96_f.html

5) http://www.alphaquark.com/Sciences/Eureka.htm

6) http://en.wikipedia.org/wiki/Archimedes%27_principle

7) http://spaceplace.nasa.gov/en/kids/barycntr.shtml

8) http://science.howstuffworks.com/question254.htm

9) http://en.wikipedia.org/wiki/Barycenter#Barycenter